前瞻晶体硅太阳能电池未来产业化——高效N型背结前接触和
背结背接触晶体硅太阳能电池
编辑陈晨张巍贾锐张代生邢钊发表于：2012-11-05 来源：中国科学院微电子研究所太阳能电池研
究中心
摘要：
Solarbe(索比)光伏太阳能网讯：摘要
文章综述了N型背结背接触和背结前接触晶体硅太阳能电池的研究和产业化的最新进展。从原理上阐述了N型背结背接触电池高效率的原因。从研究的角度，综述和点评了国际上个研究小组在N型背结前接触晶体硅电池方面的研究工作。论述了丝网印刷Al烧结法制备N型背结背接触电池方面的研究进展。
关键词：N型晶体硅，背结背接触，背结前接触，丝网印刷Al烧结，太阳能电池
0 引言
截至目前，世界上量产转化效率超过20%的电池有两种，均制备在磷(P)掺杂的N型单晶硅衬底上。2010年，美国SunPower公司的D. D. Smith 等人成功实现了面积为125×125 mm 2 的N 型背结背接触(Back-junction Back-contact)单晶硅太阳能电池，其转化效率高达24.2%。这成为了目前世界上量产效率最高的晶体硅电池结构之一。另一种N 型电池是日本Panasonic公司的HIT(Hetero-junction Intrinsic Thin-film)电池，量产转化效率为23%。展望未来，转化效率超过20%的N型晶体硅电池已成为传统晶体硅太阳能电池的发展趋势，是当今国际研究和产业化的前沿。
本文旨在综述N型背结背接触和背结前接触晶体硅太阳能电池的研究和产业化的最新进展。从原理上阐述N型背结背接触电池高效率的原因。从研究的角度，综述和点评了国际上个研究小组在N型背结前接触晶体硅电池方面的研究工作。论述了Al推进法制备N型背结背接触电池方面的研究进展。采用成本和效率两个衡量标准考量这一技术方案的应用前景。并对未来进一步提高N型晶体硅电池的转化效率给出了建议。
1 N 型背结背接触晶体硅电池高转化效率机理
首先，与掺硼(B)的P型晶体硅材料相比，掺磷(P)的N型晶体硅材料具有如下优势：（1）N型材料中的杂质（如一些常见的金属离子）对少子空穴的捕获能力低于P型材料中的杂质对少子电子的捕获能力。（2）选用掺磷的N型硅材料形成的电池则没有光致衰减效应的存在。因此，N型晶体硅电池的效率不会随着光照时间的加长而逐渐衰减。（3）N型材料的少子空穴的表面复合速率低于P型材料中电子的表面复合速率。因此，采用N型晶体硅材料少子空穴的复合将远低于P型材料中的少子电子的复合。上述三大优势是N 型晶体硅电池获得高转化效率的前提。
其次，背结背接触也是此类电池的另一重要特征。与传统的常规电池相比，背结背接触电池具有：（1）受光面无电极遮挡损失。（2）背电极优化使得电池的串联电阻提高。因此可进一步优化电极宽度从而达到提高串联电阻的目的。（3）提供更好的优化前表面陷光和实现极低反射率的潜力。
2 高效率N 型背结前接触太阳能电池的研究
在N型晶体硅太阳能电池中，背结前接触电池是目前较容易产业化的方向之一，如图1所示。早在2009 年，荷兰国家能源研究中心(ECN)采用液态B 扩散技术在N 型太阳能级
衬底上形成背部p 型发射极，并实现了N型125×125cm 2电池片的规模化生产。然而，采用液态B扩散技术存在着扩散温度过高(950～1000oC)，扩散均匀性差，表面掺杂浓度低不易形成很好的电极接触等诸多问题。因此，研究人员开始寻求其他形成pn结的技术用来替代液态B扩散，制备N型高效电池。
Al烧结技术在P型晶体硅电池中被广泛应用于形成铝背场，是产业化中非常成熟的技术之一，它采用了丝网印刷Al浆烧结形成pn结。丝网印刷机和高温烧结炉都是目前p型晶体硅电池生产所采用的设备，因此和目前生产线具有完全的兼容性。此外，该工艺还具有制备工艺步骤少的特点，和液态B扩散相比具有相当的成本优势，具有很好的产业化应用前景。然而，将丝网印刷Al浆烧结工艺用在N型电池中形成p型发射极还处在研究阶段。在工艺条件优化方面还存在很多有待解决的问题，因此，国际上不少研究机构都开展了相应的前沿研究。
图1：N型背结前接触太阳能电池结构示意图
2.1 德国弗朗霍夫太阳能研究所(Fraunhofer ISE, German)
对于丝网印刷Al浆烧结工艺形成p型发射极及其在高效N型电池应用方面，德国弗朗霍夫太阳能研究所开展了大量的研究工作。2008 年，该研究所的Christian Schmiga等人在EUPESEC大会上发表了采用Al推进技术制备N型背结前接触电池的计划，其效率预计会突破20%。在背结前接触N型高效电池中大多采用n + np +结构，前表面采用P扩散的方式形成n +浅表面场，扩散后的方块电阻达到：120Ω／□。注意到在Al推进形成N型电池的发射极工艺方面，高温链式烧结后，背发射极表面的Al浆料和Al-Si共晶层被浓HCl和KOH溶液腐蚀去掉。通过该工艺优化了背发射极表面的掺杂浓度达到10 19 cm -3，通过随后生长的叠层介质膜钝化发射极表面降低复合。除此之外，丝网印刷用的Al浆料成分、厚度、质量等，还有随后的烧结条件都需要特别的优化和设计以确保N型背发射结的特性。
2009年第24届EUPVSEC 大会上，Christian Schmiga等人报道了大规模生产的面积为148.5 cm 2的N型背结前接触电池，量产转化效率达到18.2%。该电池仍然沿用了丝网印刷Al浆料高温烧结形成p型发射极技术。前表面的电极则是采用气溶胶印刷种子层然后电镀实现的。同年，该研究所的Michael Rauer等人发表文章分别研究了该电池的两大关键技术：Al推进形成p型发射结的优化和发射极的表面钝化优化。文章重点研究了在丝网印刷Al高温烧结后形成的发射极表面采用Al2O3和氢化非晶硅(a-Si:H)钝化薄膜的特性。该文章认为烧结峰值温度的持续时间极大影响了p型发射极的特性，时间过长或过短都不能形成完美的pn结，并且指出当烧结峰值时间增加时，结深会随之增加，最终背结前接触电池的开路电压则表现出下降的趋势。实验证明采用DuPont PV322 的Al浆料经烧结后的Al-p型发射极结深为3
μm，在经过Al2O3钝化后的开路电压达到685mV。2011年，该研究小组的Robert Woehl 等人通过测试发射极饱和电流密度的方式进一步研究和优化了丝网印刷Al高温烧结形成p 型发射极的特性。
N型背结前接触电池的受光面(前表面)存在一个n + /n结(前表面场)。它的掺杂浓度和结深无法形成很好的欧姆接触，导致串联电阻增加影响最终的填充因子和转化效率。2010 年，德国ISFH的Robert Bock等人首次引入了电极下方的高掺杂区以解决此问题。随后，弗朗霍夫研究所的Marc Rudiger 等人也采纳了该方案，开展了相关研究。
2.2 中国科学院微电子研究所太阳能电池研究中心
从2009年，中国科学院微电子研究所利用自主研发的铝浆料，通过链式烧结炉推进形成Al-p +发射极。在N型太阳能级硅衬底上制备了背结前接触太阳能电池。目前，已研发了四代N 型高效背结前接触太阳能电池，开路电压达到620mV。此外，从机理上通过模拟研究了优化该电池结构的方案，并通过改变烧结条件和丝网印刷铝浆的质量研究了对电池的影响。图2展示了我所太阳能研究中心研制的高效N型背结前接触太阳能电池。
图2: 中科院微电子研究所太阳能研究中心采用Al推进法形成p型发射极，研制的高效N 型背结前接触太阳能电池
3 高效N型插指背结背接触(Interdigitated Back Contact Solar Cell, IBC)太阳能电池的研究
N型插指背接触太阳能电池的所有电极完全分布在电池的背面，受光面没有任何电极。和传统P 型晶硅电池相比，IBC电池完全消除了遮光损失，电池的光吸收特性可进一步得以优化。除此之外，这一特点也为电极的接触特性提供了优化的空间，IBC电池的串联电阻普遍低于传统电池。因此，IBC电池在光吸收和电极接触特性两个方面都优于P型晶体硅电池，是目前效率突破20%的N型高效电池结构之一(美国的SunPower公司于2011年报道了产业化的N型高效IBC电池，转化效率达到22.4%)。
目前，在IBC电池中用于形成pn结的工艺主要有：液态B扩散、丝网印刷Al烧结、B离子注入等。下表1总结了这三种工艺的研究和产业化前景。从表1分析可以看出，目前已经用于产业化初步生产的是液态B扩散技术。然而，丝网印刷Al烧结形成pn技术的成本最低，也是最接近产业化的技术。对于丝网印刷Al烧结技术如果能够将最终IBC电池的效率提高到20%以上则非常具有产业化前景。因此，国际相关研究机构也纷纷将研究的重点集中在了采用丝网印刷Al烧结技术形成p型发射极上，此方面的典型代表为美国佐治亚理工大学。此外，在IBC电池的研究和产业化方面比较突出的研究机构有：德国的弗朗霍夫、ISFH 研究所、比利时IMEC等。但是，每个研究所的研究侧重点有所不同，各具特色，从中可以了解到丝网印刷Al烧结技术在IBC电池方面的应用现状和未来产业化前景。
3.1 美国佐治亚理工大学光伏研究与教育中心
美国佐治亚理工大学光伏研究与教育中心早在2001年便开展的了关于丝网印刷Al形成p 型发射极的研究工作了，是国际上开展此项研究工作较早的机构之一，工作非常系统。但是，遗憾的是该研究组并没有开展Al-p+型发射极的IBC电池的应用研究。研究的方向主要有两个：1、不同的烧结峰值温度和丝网印刷Al层厚度对Al-p+发射极的结深和均匀性的影响。
在V. Meemongkolkiat等人发表的文章中给出了形成p型发射极所需要的烧结温度和丝网印刷Al层厚度。并通过实验系统的研究了对传统P型晶体硅电池的开路电压的影响。随着Al 层厚度的增加，峰值烧结温度的降低，最终电池的开路电压随之增加，最高值可达到634 mV。
该研究小组还研究并发表了绒面和非绒面上进行丝网印刷Al浆料后烧结形成p型发射极的对比数据。从对比结果看在绒面上，电池的开路电压会受到烧结工艺的影响，但是在非绒面的衬底上这种影响就可忽略不计。这为随后的IBC电池的特性优化提供了实验依据。
3.2 德国弗朗霍夫太阳能研究所(Fraunhofer ISE, German)
早在2008年，F. Granek等人在第23届EUPVSEC大会上就公布了采用液态B扩散技术形成的N型IBC电池，制备在N型FZ衬底上的IBC电池实验室效率高达21.3%。早在当时该研究所已经掌握了N型IBC电池高效率的关键技术和核心。文章指出：前表面场的表面掺杂和浓度分布、发射区的面积比例、p型发射极的掺杂浓度和分布是优化电池效率的关键。除此之外，N型单晶硅衬底的少子寿命和表面复合速率、背表面pn结的钝化和隔离、电极的高温烧结等也是保证高效率必不可少的因素。二维Mapping光电转化效率测试(LBIC)表明：发射极具有很高的量子效率，在电池背部应增加发射极的面积，但应该和图形的周期对应共同优化。2011年，J. Krause等人系统的研究了丝网印刷Al烧结形成p型发射极，试图将丝网印刷技术应用于IBC电池的p型发射极的形成工艺中。该研究系统的分析了Al在高温烧结过程中与Si的反应过程，进而研究了烧结条件如：Al 丝网印刷层的厚度、峰值烧结温度、带速等对p型结深的影响。通过电化学电容-电压(ECV)测试出结深和表面浓度的变化规律。
随后，R. Woehl 等人采用丝网印刷Al烧结工艺在N型FZ单晶硅衬底上制备了适合大规模量产的IBC电池，面积为16.65cm2的电池的转化效率为19.7%。N型FZ单晶硅衬底的厚度为190 μm。整个工艺流程共12步，采用和产业化兼容的设备完成。注意到：IBC电池最终的p型发射极和n型电极接触是通过共烧结完成的，极大节省了工艺步骤。由于IBC电池多采用插指结构，n型电极(Ag 浆料)和p型电极(Al浆料)交叉分布在电池的背表面。需采购可精确对准的丝网印刷机完成n和p电极的两次印刷。在成本控制方面，除了常规P 型晶硅电池的设备外，一条采用丝网印刷Al烧结技术形成p型发射极的50MW插指背接触IBC电池生产线，还要添置图形化烧蚀SiN x的激光设备，或者研制低成本适合丝网印刷的抗HF酸腐蚀剂。完成电池后的总工艺步骤可以控制在10步之内，最终产业化电池的转化效率有望突破20%。
3.3 德国ISFH研究中心(Institute fur Solarenergieforschung Hameln,German )
德国ISFH研究中心的R. Bock 等人在2010年宣布了采用丝网印刷Al烧结形成的p型发射极的N型IBC电池，N型单晶CZ硅(厚度：150 μm)的IBC电池的转化效率达到19.0%。在该文章中，作者经过二维数学模拟得到采用此技术的IBC 电池的最终极限转化效率可高达21.6%。前表面场采用热氧化的SiOx 和PECVD生长的SiNx钝化，背表面则采用两种钝化方案：1、SiOx (10nm)/SiNx(150nm) 2、AlOx (20nm)/SiNx (150nm)。为了实现产业化他们尝试了采用皮秒激光器选择性的腐蚀掉SiN层，取代了成本很高的光刻技术。该电池的结构示意图如图3所示。
图3：ISFH面积为3.97cm 2的IBC电池结构图
R．Bock等人早在2008年就已经深入研究了丝网印刷Al烧结形成的Al-p+型发射极。采用了如二次离子质谱仪(SIMS)、电化学电容-电压(ECV)和扫描电子显微镜(SEM)研究了Al在高温烧结后硅界面的形貌以及硅表面的p型发射极的结深。该研究论文首次观察到了在高温烧结后的硅表面形成了类似小金字塔形状的尖峰，进一步对这一尖峰进行观察发现外层被100～200nm的硅层覆盖，内部则完全是Al内核。
该研究小组还非常关注丝网印刷烧结形成的Al-p+型发射极的表面钝化的优化工作。通过发射区饱和电流研究了非晶硅钝化的Al掺杂的p型发射极的钝化特性。研究小组对高温烧结后，通过去除表面残余的Al浆料，然后去除Al-Si共晶层后的表面采用PECVD沉积20nm 的非晶硅层钝化，得到了490±120 fA/cm2的发射极饱和电流。该钝化方案有望进一步提高IBC电池的开路电压。
3.4 比利时微电子研究中心(IMEC, Belgium)
比利时微电子研究中心主要从科研角度，以高效率作为目的，采用不被产业接受的高成本技术，如光刻、电子束蒸发等方法制备丝网印刷Al烧结p型发射极的IBC电池，这成为IMEC
不同于德国研究机构的特点。2010年，龚春(Chun Gong)等人在N型300 μm厚度的CZ硅衬底上制备了面积为4.5cm2的Al-p+发射极IBC电池，效率达到19.1%。在发表的文章中，系统的研究了IBC电池中的前表面场对电池的特性影响(不同的表面掺杂浓度和杂质分布，如图4所示)。从效率的对比试验结果发现：第三组样品的前表面场(表面掺杂浓度：1×10 19 cm -3，结深：0.5μm)IBC电池的效率最高，主要原因是短路电流提高，其最高值可达到39.3mA/cm2。除此之外，本文还研究测试了发射区的光电转化效率，结果表明发射区的转化效率较基区高，因此在设计中应该尽量增加发射区的比例，从而得到更高的短路电流。
图4：前表面场的SIMS纵向掺杂浓度分布
值得注意的是：在IBC电池的制备过程中，该研究小组使用了微电子工艺如：分别在定义n 型区域和电极的形成工艺两次用到了光学光刻。这是处于保证较高效率的需要，但是同时带来了产业化成本升高的弊端。此外，该研究组的S. Singh等人试图进一步改善Al-p+型发射
极的均匀性，尝试在丝网印刷Al浆料之前，采用磁控溅射或电子束蒸发法形成一层2 μm 的Al层。SEM表明这种工艺优化在烧结后会改善pn结的均匀性，从而防止漏电通道，最终提高开路电压。
3.5 中科院微电子研究所太阳能研究中心
中国科学院微电子研究所太阳能研究中心采用链式烧结炉推进形成Al-p+发射极。在N型太阳能级硅衬底上制备了插指背接触(IBC)太阳能电池。通过对N 型单晶硅材料的选择(Sp、τ eff )，前表面光吸收和前表面场优化，前表面浮结的表面钝化，PN结特性的优化，N区的欧姆接触特性的优化，背表面发射区和基区图形的优化，后表面P区和N区的表面钝化和隔离等上述七大优化的研究，提高了IBC电池的转化效率。此外，还开展了B扩散技术、离子注入技术形成p型发射极的IBC电池的研究。如图5展示了中科院微电子研究所太阳能研究中心制备的IBC电池。
图5：中科院微电子研究所太阳能研究中心研制的N型高效IBC电池
4、总结与展望
综上所述，高效N型背结背接触和背结前接触晶体硅太阳能电池已经成为未来产业化的方向之一。从国际上各个研究小组在高效N型晶体硅电池方面的研究情况看，丝网印刷Al烧结法具有设备和生产效率的两大成本优势，Al-p+发射极的N型背结背接触电池是研究的重点。如能使IBC电池的转化效率突破20%，则可加速其产业化进程。未来此领域的研究趋势集中在以下两个方面：1、进一步优化电池的特性，包括：Al-p+发射极、背表面钝化、前表面场和钝化等；2、研发低成本设备，包括：激光刻蚀氮化硅设备、可丝网印刷的抗酸浆料等。
异质结太阳能电池研究现状 一、引言： 进入21世纪，传统的化石能源正面临枯竭，人们越来越认识到寻求可再生能源的迫切性。据《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书统计，传统化石能源随着人们的不断开发已经趋于枯竭的边缘，各种能源都只能用很短的时间，石油：42年，天然气：67年，煤：200年。而且，由于大量过度使用这些能源所造成的环境污染问题也日益严重，每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，二氧化碳的过度排放是造成全球气候变暖的罪魁祸首；空气中大量二氧化碳、粉尘含量已严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。正是因为这些问题的存在，人们需要一种储量丰富的洁净能源来代替石油等传统化石能源。而太阳能作为一种可再生能源正符合这一要求。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，若把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量就可达5.6×1012千瓦小
时。而我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年1700亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的前景非常广阔。在太阳能的有效利用中,太阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。太阳能电池的研制和开发日益得到重视。本文简要地综述了各种异质结太阳能电池的种类及其国内外的研究现状。 二、国外异质结太阳能电池 1、TCO/TiO2/P3HT/Au三明治式结构的p-n异质结的太阳能电池 2005年5月份，Kohshin Takahashi等发表了TCO/TiO2/P3HT/Au三明治式结构的p-n异质结的太阳能电池，电池结构如图1。 图1 ITO/PEDOT:PSS/CuPc/PTCBI/Al结构太阳能电池 简图 图2 TCO/TiO2/P3HT/Au电池结构示意图 同时采用了卟啉作为敏化剂吸收光子，产生的电子注入
晶体硅太阳能电池的制造 工艺流程 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
提高太阳能电池的转换效率和降低成本是太阳能电池技术发展的主流。 晶体硅太阳能电池的制造工艺流程说明如下： （1）切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。 （2）清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去30－50um。 （3）制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。 （4）磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成PN＋结，结深一般为－。 （5）周边刻蚀：扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短路，用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。 （6）去除背面PN＋结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN＋结。 （7）制作上下电极：用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。 （8）制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2 ，SiO2 ，Al2O3，SiO ，Si3N4 ，TiO2 ，Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。 （9）烧结：将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。 （10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。
由此可见，太阳能电池芯片的制造采用的工艺方法与半导体器件基本相同，生产的工艺设备也基本相同，但工艺加工精度远低于集成电路芯片的制造要求，这为太阳能电池的规模生产提供了有利条件。
硅太阳能电池的结构及 工作原理 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
一.引言： 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。?? 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。 中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。 目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、
日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总 绿色环保节能太阳能 能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。 在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。
高效异质结太阳能电池产业化观察 1异质结电池的技术前景及产业政策 1.1技术前景 从最新的市占率预测来看，异质结（简称HIT，SHJ，SJT等）电池在10年内都将是小众市场，预计5年内市占率在5%-7%之间。按照2016年72GW（中国53GW）的全球出货量和15%的平均增长率，5年后的2022年将达到144GW（中国106GW）的年全球出货量，其中HIT技术产品占7-10GW（中国5-7GW）。 图1.晶硅电池技术市占率预测 目前国际和国内布局HIT电池技术的厂商及其产能情况如下： 生产商电池效率产能产业规划 松下22.50% 1GW 因日本产业链不完善，成本居高不下。 上澎21.80% 40MW 国内运营最长的1条量产线，计划扩产至120MW。 新日光22.00% 50MW 2017年底扩张到50MW，目标23%效率。 新奥21.60% 80MW 产能陆续扩张中，计划到400MW 赛昂21.50% 30MW 被Solarcity收购，在美国有1GW电池规划。 国电21.50% 80MW 被中环收购，有1GW扩产计划。 钧石22.50% 100MW 总产能规划600MW，目前一期调试中。 中智22.00% 200MW 规划1.2GW产能，目前2条线轮调中。 晋能--- 100MW 规划2GW产能，设备采购中。 汉能--- 60MW 规划600MW产能。 表1.HIT电池主要厂商及其产能情况统计
按照上表给出的产能计算，未来5年内全球HIT电池产能将达到8GW左右，其中大陆产能占绝对多数，约为7GW。另外，国电投、亿晶光电、合金盛等公司也在计划上马HIT电池技术，实际产能可能会更大。 从以上分析来看，业内业已进入的HIT厂家几乎将全球HIT产品的市场瓜分殆尽。新入者必须在着力产品研发的同时，努力挖掘HIT的应用市场。鉴于HIT技术的成本较高，高昂的产品售价必将令市场开拓存在巨大的困难，其可能的市场领域包括：美日欧等发达市场需求、中国超级领跑者项目、新能源汽车领域、其他高效产品应用领域。 1.2 技术路线图 图2.2017年最新的晶硅电池效率路线图 从最新的电池效率路线图来看，HIT电池技术处于排名第二的高效晶硅技术，仅次于IBC技术。但HIT电池的效率与P型PERC、N型PERT的效率差异没能显著拉开（高1%），鉴于P 型PERC技术的规模化应用正在急速扩张之中，而HIT电池技术的产业配套尚有很多需要完善。
一.引言： 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。 中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。 目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总 绿色环保节能太阳能 能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显
a -S i /c -S i 异质结结构太阳能电池设计分析 * 林鸿生马雷 (中国科学技术大学物理系 , 合肥 , 230026 2001-09-10收稿 , 2002-01-14收改稿 摘要 :通过应用 S c h a r f e t t e r -G u m m e l 解法数值求解 P o i s s o n 方程 , 对热平衡态 a -S i /c -S i 异质结太阳能电池进行计算机数值模拟分析 , 着重阐述在 a -S i /c -S i 异质结太阳能电池中嵌入 i (a -S i :H 缓冲薄层的作用 , 指出采用嵌入 i (a -S i :H 缓冲薄层设计能有效增强光生载流子的传输与收集 , 从而提高 a -S i /c -S i 异质结太阳能电池的性能 , 同时还讨论 p + (a -S i :H 薄膜厚度和 p 型掺杂浓度对光生载流子传输与收集的影响 , 而高强度光照射下模拟计算表明 , a -S i /c -S i 异质结结构太阳能电池具有较高光稳定性。关键词 :异质结太阳能电池 ; 牛顿-拉普森解法 ; 氢化非晶硅隙态密度 ; 载流子收集中图分类号 :T M 9 14. 42文献标识码 :A 文章编号 :1000-3819(2003 04-470-06 A n a l y s i s o f t h e D e s i g nf o r a -S i /c -S i H e t e r o j u n c t i o n S t r u c t u r e S o l a r C e l l s L I N H o n g s h e n g MA L e i
晶体硅太阳能电池 专业班级：机械设计制造及其自动化13秋姓名：张正红 学号： 1334001250324 报告时间： 2015年12月
晶体硅太阳能电池 摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，能源己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。人们开始急切地寻找其他的能源物质，而光能、风能、海洋能以及生物质能这些可再生能源无疑越来越受到人们的关注。光伏技术也便随之形成并快速地发展了起来，因此近年来，光伏市场也得到了快速发展并取得可喜的成就。本文主要就晶体硅太阳能电池发电原理及关键材料进行介绍，并对晶体硅太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。 关键词：太阳能电池；工作原理；晶体硅；特点；发展趋势 前言 “开发太阳能，造福全人类”人类这一美好的愿景随着硅材料技术、半导体工业装备制造技术以及光伏电池关键制造工艺技术的不断获得突破而离我们的现实生活越来越近！近20年来，光伏科学家与光伏电池制造工艺技术人员的研究成果已经使太阳能光伏发电成本从最初的几美元/KWh减少到低于20美分/KWh。而这一趋势通过研发更新的工艺技术、开发更先进的配套装备、更廉价的光伏电子材料以及新型高效太阳能电池结构，太阳能光伏（PV）发电成本将会进一步降低，到本世纪中叶将降至4美分/KWh，优于传统的发电费用。 大面积、薄片化、高效率以及高自动化集约生产将是光伏硅电池工业的发展趋势。通过降低峰瓦电池的硅材料成本，通过提升光电转换效率与延长其使用寿命来降低单位电池的发电成本，通过集约化生产节约人力资源降低单位电池制造成本，通过合理的机制建立优秀的技术团队、避免人才的不合理流动、充分保证技术上的持续创新是未来光伏企业发展的核心竞争力所在！ 一、晶体硅太阳能电池工作原理 太阳能电池是一种把光能转换成电能的能量转换器，太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。
有机体异质结太阳能电池的数值分析 邢宏伟 彭应全 杨青森 马朝柱 汪润生 李训栓 (兰州大学物理科学与技术学院,兰州 730000)(2008年1月20日收到;2008年4月15日收到修改稿) 介绍了一种有机体异质结太阳能电池的数值模拟方法,模型使用Onsager 提出的成对复合理论,并结合了完善的无机半导体理论而提出来的,其结果与实验结果符合较好,证明了模型的正确性.在此基础上分析了器件的内建电场与工作温度对器件性能的影响,以及影响器件光电流的主要因素. 关键词:有机太阳能电池,体异质结,数值分析 PACC :8630J ,7115Q ,7125 通讯联系人.E 2mail :yqpeng @https://www.doczj.com/doc/ab10405799.html, 11引言 有机太阳能电池利用有机半导体薄膜作为光电活性介质,由于具有容易加工、价格低廉并能制作大面积柔性器件等优点而备受关注.自从人们发现处于基态非简并态的共轭聚合物与富勒烯之间有光诱导电子转移发生以来, [1,2] 这些材料已经被考虑应用 于制作大面积的可折叠的太阳能电池.体异质结(BH J )结构太阳能电池与传统双层异质结太阳能电池相比,克服了几何界面的影响,即只有在pn 结附近吸收的光子才对光电流有贡献 [3,4] ,而是将电子受体材料和给体材料混合形成可传输电荷的渗透网格,从而大幅度提高了短路电流值 [5,6] .太阳能电池 的转换效率接近5%,使其比双层结构有更大的开发前途,因此被认为是光伏器件的主要发展趋势[7] . 体异质结太阳能电池吸收光子产生光电流的主要机理是给体材料和受体材料接触面处吸收光子产生激子,在接近给体2受体接触面的区域的激子扩散同时以极快的速度分离为成对出现的给体里的空穴和受体里的电子 [8,9] .但是由于有机材料的介电常量 (εr =2— 4)与无机材料相比较低,使得激子没有像无机半导体中马上分离成电子和空穴,而是牢牢的被库仑力约束在一起.为了产生光电流,激子必须分离成能够自由移动的载流子,并在完全复合成为基态激子之前,移动至电极,被电极俘获,这样才能形 成光电流. 本文以Onsager [10] 的成对复合理论和较完善的 无机半导体相关理论为基础,研究有机体异质结太 阳能电池的数值模型.该模型包含了载流子的产生、复合、漂移和扩散等重要物理机理.模型的数值计算与实验结果符合较好. 21理论与模型 有机体异质结太阳能电池器件通过金属2有机 半导体2金属的图像来描述,其能级分布及电子与空穴传输如图1所示.半导体材料的导带底和价带顶分别是受体物质最低未占据分子轨道(LUMO )和给体物质的最高占据分子轨道(H OMO ).受体的LUMO 与给体的H OMO 的能量之差为其带隙(E gap ).电子与空穴的复合用Langevin 提出的双分子复合理论来 表述[11] .由于器件有机层非常薄(100nm 左右),我们假定器件中吸收光子产生激子的产生速率(G max )是相同的. 自由电荷载流子的产生可分为两个阶段,如图2所示:首先,给体内有机层吸收光子产生束缚电子空穴对(激发态激子).激子的结合能大约为012—110eV ,高于相应的无机半导体激发产生的激子的结合能,所以不会像无机半导体激子可以自动离解形成自由移动的电子和空穴,而是需要电场驱动激子才能离解.在给体2受体的界面处电场较大,激子比较容易离解.可以看出,在有机体异质结太阳能电 第57卷第11期2008年11月100023290Π2008Π57(11)Π7374206 物 理 学 报 ACT A PHY SIC A SI NIC A V ol.57,N o.11,N ovember ,2008 ν2008Chin.Phys.S oc.
晶体硅太阳能电池的种类及特点 太阳能电池已经有30多年的发展历史。目前世界各国研制的硅太阳能电池种类繁多，；主要系列有单晶、多晶、非晶硅几种。其中单晶硅太阳能电池占50％，多晶硅电池占20％、非晶占30％。我国光伏发电发展需解决的关键问题。太阳能光伏发电发展的瓶颈 是成本高。为此，需加大研发力度，集中在降低成本和提高效率的关键技术上有所突破，主要包括：a)晶体硅电池技术。降低太阳硅材料的制备成本：开发专门用于晶体硅太阳 能电池的硅材料，是生产高效和低成本太阳电池的基本条件；同时实现硅材料国产化和 提高性能，从产业链的源头，抓好降低成本工作。提高电池／组件转换效率：高效钝化 技术，高效陷光技术，选择性发射区，背表面场，细栅或者单面技术，封装材料的最佳 折射率等高效封装技术等。光伏技术的发展以薄膜电池为方向，高效率、高稳定性、低 成本是光伏电池发展的基本原则。 单晶硅在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，也是最具 活力的研究领域。而硅材料太阳能电池无疑是市场的主体，硅基(多晶硅、单晶硅)太阳 能电池占80％以上，每年全世界需消费硅材料3000t左右。生产太阳能电池用单晶硅， 虽然利润比较低，但是市场需求量大，供不应求，如果进行规模化生产，其利润仍然很 可观。目前，中国拟建和在建的太阳能电池生产线每年将需要680多吨的太阳能电池用 多晶硅和单晶硅材料，其中单晶硅400多吨，而且，需求量还以每年15％～20％的增长 率快速增长。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23％，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为15％，技术也最为成熟。高性能单晶 硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅 的电池工艺已近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂 等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率 主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳 能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制 成倒金字塔结构。通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得 的电池转化效率超过23％。单晶硅具有完整的金刚石结构。通过掺杂得到n，P型单晶硅，进而制备出p／n结、二极管及晶体管，从而使硅材料有了真正的用途。单晶硅太阳能电 池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶 硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度 降低其成本是非常困难的。 多晶硅众所周知，利用太阳能有许多优点，光伏发电将为人类提供主要的能源，但 目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，提高太阳电池的光 电转换效率，降低生产成本应该是我们追求的最大目标，从目前国际太阳电池的发展过 程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合 1
高效晶体硅太阳能电池技术 摘要：晶体硅太阳能电池是目前应用技术最成熟、市场占有率最高的太阳能电池。本文在解释常规太阳能电池能量损失机理的基础上，介绍了可应用于商业化生产的高效晶体硅太阳能电池技术及其工艺流程，并对每种电池技术的优、缺点及工艺难度进行了评价。 关键词：晶体硅电池；高效电池；商业化 1 引言 能源是一个国家经济和社会发展的基础. 目前广泛使用的石油、天然气、煤炭等化石能源面临着严峻的挑战. 2005年2 月我国通过了《中华人民共和国可再生能源法》,从立法角度推进可再生能源的开发和利用,这是解决我国能源与环境、实现可持续发展的重要战略决策。 不论从资源的数量、分布的普遍性,还是从清洁性、技术的可靠成熟性来说,太阳能在可再生能源中都具有更大的优越性,光伏发电已成为可再生能源利用的首要方式。而晶硅太阳电池一直占据着光伏市场的最大份额. 与其它的可再生能源一样,目前要使之从补充能源过渡到替代能源,太阳电池光伏发电推广的最大制约因素仍然是发电成本。围绕着降低生产成本的目标,以高效电池获取更多的能量来代替低效电池一直是科学研究的的热门[1]. 近年来 高效单晶硅太阳能电池研究已取得巨大成就，在美国、德国和日本,高效太阳能电池研究正如火如荼，特别是美国，商品化高效电池的转换效率已超过20%。 . 2 硅太阳能电池能量损失机理 目前研究成果表面，影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面：①光学损失. 包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失,其中反射和阴影损失是可以通过技术措施减小的,而长波非吸收损失与半导体性质有关；②电学损失. 它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的体电阻以及金属-半导体接触（欧姆接触）电阻损失. 相对而言,欧姆损失在技术上比较容易降低,其中最关键的是降低光生载流子的复合,它直接影响太阳电池的开路电压。而提高电池效率的关键之一就是提高开路电压V oc。光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入了大量的复合中心。此外,当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度S b 对太阳电池特性的影响也很明显。而从商业太阳电池来看,为了降低太阳电池的成本和提高效率,现在生产厂家也在不断地减小硅片的厚度,以降低原材料的价格.因此必须有减少前、背两个表面的光生载流子复合的结构和措施. 3 高效晶体硅太阳能电池技术 3.1 背接触电池IBC/MWT/EWT （1）IBC电池（PCC电池） 背接触电池是由Sunpower公司开发的高效电池，其特点是正面无栅状电极，正负极交叉排列在背面，量产效率可达19%～20%。 这种把正面金属栅线去掉的电池结构有很多优点[2]：（1）减少正面遮光损失，相当于增加了有效半导体面积，有利于增加电池效率；（2）有可能大大降低组件装配成本，因为全部外部接触均在单一表面上；（3）从建造结构的观点看来提供了增值，因为汇流条和焊线串接存在引起的视觉不适被组件背面所替代。
高效晶体硅太阳电池简介（1） PERC电池是澳大利亚新南威尔士大学光伏器件实验室最早研究 的高效电池。它的结构如图2-13a所示，正面采用倒金字塔结构，进行双面钝化，背电极通过一些分离很远的小孔贯穿钝化层与衬底接触，这样制备的电池最高效率可达到23.2％[26]。由于背电极是通过一些小孔直接和衬底相接触的，所以此处没能实现钝化。为了尽可能降低此处的载流子复合，所设计的孔间距要远大于衬底的厚度才可。然而孔间距的增大又使得横向电阻增加（因为载流子要横向长距离传输才能到达此处），从而导致电池的填充因子降低。另外，在轻掺杂的衬底上实现电极的欧姆接触非常困难，这就限制了高效PERC电池衬底材料只能选用电阻率低于0.5 Ωcm以下的硅材料。 为了进一步改善PERC电池性能，该实验室设想了在电池的背面增加定域掺杂，即在电极与衬底的接触孔处进行浓硼掺杂。这种想法早已有人提出，但是最大的困难是掺杂工艺的实现，因为当时所采用的固态源进行硼掺杂后载流子寿命会有很大降低。后来在实验过程中发现采用液态源BBr3进行硼掺杂对硅片的载流子寿命影响较小，并且可以和利用TCA制备钝化层的工艺有很好的匹配。1990年在PERC结构和工艺的基础上，J.Zhao在电池的背面接触孔处采用了BBr3定域扩散制备出PERL电池，结构如图2.13b所示[27]。定域掺硼的温度为900 ℃，时间为20 min，随后采用了drive-in step技术（1070 ℃，2 h）。经过这样处理后背面接触孔处的薄层电阻可降到20 Ω/□以下。孔间距离也进行了调整，由2 mm缩短为250 μm，大大减少了横
向电阻。如此，在0.5 Ωcm和2 Ωcm的p型硅片上制作的4 cm2的PERL电池的效率可达23-24％，比采用同样硅片制作的PERC电池性能有较大提高。 1993年该课题组对PERL电池进行改善，使其效率提高到24％，1998年再次提高到24.4％，2001年达到24.7％，创造了世界最高记录。这种PERL电池取得高效的原因是[28]：（1）正面采光面为倒金字塔结构，结合背电极反射器，形成了优异的光陷阱结构；（2）在正面上蒸镀了MgF2/ZnS双层减反射膜，进一步降低了表面反射；（3）正面与背面的氧化层均采用TCA工艺（三氯乙烯工艺）生长高质量的氧化层，降低了表面复合；（4）为了和双层减反射膜很好配合，正面氧化硅层要求很薄，但是随着氧化层的减薄，电池的开路电压和短路电流又会降低。为了解决这个矛盾，相对于以前的研究，增加了“alneal”工艺，即在正面的氧化层上蒸镀铝膜，然后在370 ℃的合成气氛中退火30 min，最后用磷酸腐蚀掉这层铝膜。经过“alneal”工艺后，载流子寿命和开路电压都得到较大提高，而与正面氧化层的厚度关系不大。这种工艺的原理是，在一定温度下，铝和氧化物中OH-离子发生反应产生了原子氢，在Si/SiO2的界面处对一些悬挂键进行钝化。（5）电池的背电场通过定域掺杂形成，掺杂的温度和时间至关重要，对实现定域掺杂的接触孔的设计也非常重要，因为这关系到能否在整个背面形成背电场以及体串联电阻的大小。在这个电池中浓硼扩散区面积为30 μm×30 μm，接触孔的面积为10 μm ×10 μm，孔间距为250 μm，浓硼扩散区的面积仅占背面积的1.44%。定域扩散
几种商业化的高效晶体硅太阳能电池技术 摘要：晶体硅太阳能电池是目前应用技术最成熟、市场占有率最高的太阳能电池。本文在解释常规太阳能电池能量损失机理的基础上，介绍了可应用于商业化生产的高效晶体硅太阳能电池技术及其工艺流程，并对每种电池技术的优、缺点及工艺难度进行了评价。 关键词：晶体硅电池；高效电池；商业化 1 引言 能源是一个国家经济和社会发展的基础. 目前广泛使用的石油、天然气、煤炭等化石能源面临着严峻的挑战. 2005年2 月我国通过了《中华人民共和国可再生能源法》,从立法角度推进可再生能源的开发和利用,这是解决我国能源与环境、实现可持续发展的重要战略决策。 不论从资源的数量、分布的普遍性,还是从清洁性、技术的可靠成熟性来说,太阳能在可再生能源中都具有更大的优越性,光伏发电已成为可再生能源利用的首要方式。而晶硅太阳电池一直占据着光伏市场的最大份额. 与其它的可再生能源一样,目前要使之从补充能源过渡到替代能源,太阳电池光伏发电推广的最大制约因素仍然是发电成本。围绕着降低生产成本的目标,以高效电池获取更多的能量来代替低效电池一直是科学研究的的热门[1]. 近年来 高效单晶硅太阳能电池研究已取得巨大成就，在美国、德国和日本,高效太阳能电池研究正如火如荼，特别是美国，商品化高效电池的转换效率已超过20%。 . 2 硅太阳能电池能量损失机理 目前研究成果表面，影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面：①光学损失. 包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失,其中反射和阴影损失是可以通过技术措施减小的,而长波非吸收损失与半导体性质有关；②电学损失. 它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的体电阻以及金属-半导体接触（欧姆接触）电阻损失. 相对而言,欧姆损失在技术上比较容易降低,其中最关键的是降低光生载流子的复合,它直接影响太阳电池的开路电压。而提高电池效率的关键之一就是提高开路电压V oc。光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入了大量的复合中心。此外,当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度S b 对太阳电池特性的影响也很明显。而从商业太阳电池来看,为了降低太阳电池的成本和提高效率,现在生产厂家也在不断地减小硅片的厚度,以降低原材料的价格.因此必须有减少前、背两个表面的光生载流子复合的结构和措施. 3 高效晶体硅太阳能电池技术 3.1 背接触电池IBC/MWT/EWT （1）IBC电池（PCC电池） 背接触电池是由Sunpower公司开发的高效电池，其特点是正面无栅状电极，正负极交叉排列在背面，量产效率可达19%～20%。 这种把正面金属栅线去掉的电池结构有很多优点[2]：（1）减少正面遮光损失，相当于增加了有效半导体面积，有利于增加电池效率；（2）有可能大大降低组件装配成本，因为全部外部接触均在单一表面上；（3）从建造结构的观点看来提供了增值，因为汇流条和焊线串接存在引起的视觉不适被组件背面所替代。
未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜太阳能电池的发展等原因而下降，但其主导地位仍不会根本改变；而薄膜电池如果能够解决转换效率不高，制备薄膜电池所用设备价格昂贵等问题，会有巨大的发展空间。 目前太阳能电池主要包括晶体硅电池和薄膜电池两种，它们各自的特点决定了它们在不同应用中拥有不可替代的地位。但是，专家认为，未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜太阳能电池的发展等原因而下降，但其主导地位仍不会根本改变；而薄膜电池如果能够解决转换效率不高、制备薄膜电池所用设备价格昂贵等问题，会有巨大的发展空间。晶体硅太阳能电池依然是主力 在太阳能光伏领域，晶体硅太阳能电池的转换效率较高，原材料来源简单，因此虽然薄膜太阳能电池迅速崛起，但晶体硅太阳能电池目前仍是太阳能电池行业的主力。在2007年全球前十大太阳能电池生产商中，有9家是以生产晶体硅太阳能电池为主的。 据应用材料公司提供的PV（光伏）产业预测，尽管多晶硅太阳能电池技术相对市场占有率有下降趋势(即2007年45%，2010年40%，2015年37%)，但总体上多晶硅太阳能电池年增长率在以40%—50%的速度发展，未来市场相当可观。 硅是自然界存量最多的元素之一，硅材料来源广泛、价格低廉且容易获得，大生产制造技术成熟，电池制造成本持续下降，业内专家预计，未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜电池的发展等原因而下降，但主导地位仍不会根本改变。而随着太阳能电池尺寸的加大，多晶硅太阳能电池制造技术的成熟，其转换效率和单晶硅电池的差距越来越小，制造成本优势逐渐显现，所占份额也会不断提高。以高纯多晶硅为原料而制备的晶硅电池占据现有太阳能电池80%以上的市场，由于其原料易于制备，电池制备工艺最为成熟，在硅系太阳能电池中转换效率最高，无论其原料还是产品都对人类无毒无害等优点而获得了广泛的开发和应用。预计在未来的20年～30年里还不可能有其他材料和技术能取代晶硅电池位居第一的地位。 多晶硅产能扩大成本降低 多晶硅太阳能电池之所以占据主流，除取决于此类电池的优异性能外，还在于其充足、廉价、无毒、无污染的硅原料来源，而近年来多晶硅成本的降低更将使多晶硅太阳能电池大行其道。 随着硅太阳能商业化电池效率不断提高、商业化电池硅片厚度持续降低和规模效应等影响，硅太阳能成本仍在降低，规模每扩大1倍，成本降低约20%。
关键词: 意大利三洋HIT太阳能组件 北极星太阳能光伏网讯: 采用三洋HIT组件的意大利普利亚地区太阳能电站被认为是世界上最大的电站之一，目前已经投入运营。 坐落于托雷圣苏珊娜的该电站总装机容量达7.56MW，足以满足3,300个住户的供电需求。 该项目是德意志银行、EST能源和太阳能科技公司、dean太阳能和三洋共同协作的结晶。 “该电站并不是德意志银行首次涉足到可再生能源行业，到目前为止，德意志银行参与了50多个大型可再生能源项目，全球的总装机容量已经超过了850MW。”全球融资贷款项目主管Bernd Fislage表示。 该项目中应用了32,000个三洋HIT组件总额达5417万澳元，占地19公顷。 三洋HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin layer)组件是一种混合型太阳能组件，结合了一层薄薄的单晶硅层覆于超薄的非晶硅层。三洋该款新组件最高效率可达21.2%，实际整体效率在18.6%左右。 三洋HIT的高效使其已经成为很多商业项目以及澳大利亚住宅光伏系统的重要选择。因为其不仅高效且在高温下的产能也很好，体积小，为更多屋顶空间有限的住户安装提供了方便。
北极星太阳能光伏网讯:三洋电机采用98μm厚的薄型Si单元的HIT （HeterojunctionwithIntrinsicThinLayer）太阳能电池，实现了23.7％的转换效率。该公司2009年9月发布的22.8％的转换效率（厚度为98μm）又提高了0.9个百分点。超过了该公司在2009年2月发布，HIT单元目前最高的转换效率23.0％（厚度在200μm以上）。 转换效率的提高主要得益于以下三点：（1）改进透明导电膜（TCO），提高了孔迁移率；（2）改进布线部分，减小了布线暗影的影响，同时降低了电阻值；（3）提高对短波长光的反应，减小了光学损失。上述改进措施的具体方法均未透露。 通过上述改进，开路电压（Voc）达到745mV、短路电流（Isc）达到3.966A、填充系数（FF）达到80.9％。单元面积为100.7cm2。此次转换效率的测定是由产业技术综合研究所在2011年5月31日实施的。 发布会之后的提问中，有人询问在普通厚度的单元上应用此次成果的情况。对此，三洋电机表示“我们在研发中一直致力于降低成本，因此现有厚度的单元没有试用此次的成果”。结晶硅型太阳能电池的转换效率正在逐渐接近理论极限值。为了应对转换效率越来越难以提高的情况，三洋电机的研发正向在维持转换效率的情况下以单元薄型化来降低成本转移。 日本最被认可的三洋HIT太阳能电池明年将投身于松下 关键词: 太阳能太阳能电池三洋HIT 北极星太阳能光伏网讯:最被认可的日本太阳能品牌之一——三洋HIT太阳能电池明年将投身到松下品牌旗下。松下收购三洋的举动据说是松下巩固其名下多领域产品的品牌化战略的一部分。松下表示，收购后，三洋仍然负责松下集团能源部门的关键领域。 松下新的财政年度将始于2012年4月1日，届时，三洋出产的太阳能电池组件将使用PanasonicHIT品牌。
薄膜晶体硅太阳能电池分析比较 《中国组件行业投资前景及策略咨询报告》分析：目前在工业上，硅的成本大约占硅太阳能电池生产成本的一半。为减少硅的消耗量，光伏(PV)产业正期待着一些处于研究开发中的选择方案。其中最显然的一种就是转向更薄的硅衬底。现在，用于太阳能电池生产的硅衬底厚度略大于200mm，而衬底厚度略小于100mm的技术正在开发中。为使硅有源层薄至5-20 mm，可以在成本较低的硅衬底上淀积硅有源层，这样制得的电池被称为薄膜。为使其具有工业可行性，主要的挑战是在适于大规模生产的工艺中，怎样找到提高效率和降低成本之间的理想平衡。已经存在几种制造硅有源层的技术1，本文将讨论其中的三种。 薄膜PV基础 第一种技术是制作外延(epitaxial)(图1)，从高掺杂的晶体硅片(例如优级冶金硅或废料)开始，然后利用化学气相淀积(CVD)方法来淀积外延层。除成本和可用性等优势以外，这种方法还可以使硅太阳能电池从基于硅片的技术逐渐过渡到薄膜技术。由于具有与传统体硅工艺类似的工艺过程，与其它的薄膜技术相比，这种技术更容易在现有工艺线上实现。 第二种是基于层转移(layer transfer)的技术，它在多孔硅薄膜上外延淀积单晶硅层，从而可以在工艺中的某一点将单晶硅层从衬底上分离下来。这种技术的思路是多次重复利用母衬底，从而使每个太阳能电池的最终硅片成本很低。正在研究中的一种有趣的选择方案是在外延之前就分离出多孔硅薄膜，并尝试无支撑薄膜工艺的可能性。 最后一种是薄膜多晶硅太阳能电池，即将一层厚度只有几微米的晶体硅淀积在便宜的异质衬底上，比如陶瓷(图2)或高温玻璃等。晶粒尺寸在1-100mm之间的多晶硅薄膜是一种很好的选择。我们已经证实，利用非晶硅的铝诱导晶化可以获得高质量的多晶硅太阳能电池。这种工艺可以获得平均晶粒尺寸约为5 mm 的很薄的多晶硅层。接着利用生长速率超过1 mm/min的高温CVD技术，将种子层外延生长成几微米厚的吸收层，衬底为陶瓷氧化铝或玻璃陶瓷。选择热CVD是因为它的生长速率高，而且可以获得高质量的晶体。然而这样的选择却限定了只能使用陶瓷等耐热衬底材料。这项技术还不像其它薄膜技术那样成熟，但已经表现出使成本降低的巨大潜力。
晶硅太阳能电池板的制作过程 1、表面制绒单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为70-85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约20～25μm，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。 2、扩散制结太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850---900摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，也就是PN结。这种方法制出的PN结均匀性好,方块电阻的不均匀性小于百分之十,少子寿命可大于10ms。制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。
高效晶体硅太阳能电池 作者：S.W. Glunz，Fraunhofer Institute of Solar Energy System 如今的晶体硅光伏组件的成本分布主要是材料成本，特别是硅片成本。因此，采用更薄的硅片以及增加电池的转换效率引起了光伏业界的广泛兴趣。 表面钝化 电介质钝化与背表面场 所有转换效率大于20%的电池结构都具有电介质层的钝化表面。然而，目前业界的晶体硅太阳能电池的表面结构多采用的是丝网印刷和热场Al背表面场（Al-BSF）。它有两个主要的限制：由烧结工艺带来的硅片弯曲；更低的电学和光学特性。特别是，Sback、背表面再复合速率是关键的参数，但是在文献中却有着大量的数值。这使得衡量Al-BSF的潜力与电介质钝化变得很困难。 我们对不同的背表面结构并结合高效前表面结构进行了实验。这将有可能准确的确定表面的再复合速率、Sback以及内部反射率Rback。 图1表示了不同背表面结构的内部量子效率，从低质量的欧姆Al接触开始一直到PERL/LBSF背表面。有效的Sback和Rback已经从IQE和反射率测量中去除。
采用这些参数就有可能确定不同背表面结构对太阳能电池性能的影响（图2）。电介质钝化甚至比高质量的发射极和更薄的硅片带来的好处更多。 电介质层的钝化机理 良好的表面钝化有两种不同的机理：交界面状态Dit的降低；场效应钝化，即钝化层中一种载子类型与固定电荷Qf结合时的显著降低。尽管这些机理或两种机理的结合会导致较低的表面再复合速率，Seff(Δn)曲线显示了不同的特性（图3）。热生长的SiO2层更容易获得交界面状态的降低，而对于PECVD沉积的薄膜，如SiNx，场效应钝化和中等程度的Dit降低则更为常见。SiO2的Dit=1010cm2eV-1，Qf=1010cm2。而SiNx的Dit=1011cm2eV-1，Qf=1011cm2。
有机异质结太阳能电池研究进展 谢小银潘高峰*刘冠辰李祥 （吉林化工学院化工与材料工程学院吉林吉林132022） 摘要：本文主要综合论述了有机异质结的理论基础，着重介绍新型光伏材料中的有机异质结的工作机理以及该领域的研究进展，为今后研究有机太阳能电池提供一定的思路。 关键词：有机异质结; 太阳能电池 近年来，全球变暖，煤炭石油和天然气等化石能源的日趋枯竭，使得能源安全气候变化问题倍加突出。以硅等半导体材料作为太阳能电池以其高效、清洁等优势为解决这些问题提供可能性，但是由于硅基太阳能电池在生产制造过程中高耗能、高污染又会给环境和社会带来了新的压力。为了能彻底解决这些问题，科学家提出了有机异质结薄膜太阳能电池的概念并在此基础上开展大量的研究和探索，同时取得了许多突破性的进展[1-3]。据测算，薄膜太阳能电池的制造成本只有单晶硅太阳能电池的1/5~1/10,且生产工艺简单，未来前景十分广阔。 1. 有机异质结的特性 异质结是指不同半导体材料间两种不同层次或区域之间形成的二维界面，由有机半导体材料形成的异质结即为有机异质结。由于构成异质结的有机半导体材料各自的带隙宽度、功函数的不同，这两种半导体材料分别被称作电子供体和受体半导体。两种材料分子之间由于界面的存在而表现出很弱的分子间作用的同时也导致有机异质结呈现出不同于无机半导体的一些特性，如量子阱效应和电子迁移率发生变大：
1.1 量子阱效应：电子在移动的过程中，由于异质结界面的能阶较低，且空间宽度极小，因而会被限制在界面所在二维曲面上。由此，电子的基本特性会发生改变，例如：能带分裂而导致能级量子化、基态能量增加、以及能态密度改变等，其中能态密度与能阶分布，是决定电子特性很重要的因素。 1.2 迁移率(Mobility)变大：在半导体中，自由电子主要是由所掺杂材料的分子提供，因此在一般的半导体晶格中，自由电子的运动方向和速度会受到杂质分子或者晶格的碰撞而受到影响和限制。然而在异质结结构中，杂质分子处于界面两侧，而自由电子则被限制在界面上，因此在空间上，自由电子是独立而不受其他分子或晶格的影响所以其迁移率就可以大大增加。这个为提高光电流密度提供了基本条件。图1 简示有机体异质结的界面形态。 图1有机异质结混合界面，红色和灰色部分分别简示供体和受 体材料在异质结中所呈现出的形态学状态，本图引用自参考文献[4] 2. 有机异质结太阳能电池中光电流的产生机理： 与硅基半导体相比，形成异质结的有机分子之间的相互作用（主要是范德华力）